改形光源组件以及使用该组件的照明系统的制作方法

专利名称：改形光源组件以及使用该组件的照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以用于投影系统中的改形光源组件以及使用该组件的照明系统。更具体地说，本发明涉及包括角锥体集光器的光源组件和使用至少一个这样的光源组件的照明系统。
背景技术：
照明系统具有多种用途，包括投影显示器、液晶显示器(LCD)的背光等等。投影系统通常包括光源、照明光学器件、成像器件、投影光学器件和投影屏幕。照明光学器件收集来自光源的光并且按照预定的方式将光引导至一个或多个成像器件。经过电子调节和处理的数字视频信号控制该一个或多个成像器件，产生对应于视频信号的图像。投影光学器件继而放大该图像，并且将其投影到投影屏幕上。已经将与色轮结合的白光源诸如弧光灯等用作投影显示系统的光源，并且其仍然占主导地位。然而，最近采用了发光二极管(LED)作为其替代产品。LED光源的一些优点包括寿命更长、效率更高以及突出的热特性。
经常用于数字光处理系统中的成像器件的一个实例是数字微反射镜器件(DMD)。DMD的主要特征是可旋转微反射镜的矩形阵列。每个反射镜的倾斜由加载到与每个反射镜相关联的存储器单元中的数据进行独立控制，从而控制反射光并且将视频数据的像素空间映射到投影屏幕上的像素。处于ON状态的反射镜反射的光穿过投影光学器件，并且投影到屏幕上，从而生成明亮区域。另一方面，处于OFF状态的反射镜反射的光未到达投影光学器件，从而产生黑暗区域。还可以利用DMD来生成彩色图像，例如利用色彩排序，或者可选的是利用三个DMD，每种原色使用一个DMD。
成像器件的其它实例包括通常为矩形的液晶板，如硅基液晶器件(LCOS)。在液晶板中，根据对应于视频信号的数据递增地(像素到像素)控制液晶材料的排列。根据液晶材料的排列，液晶结构可以改变入射光的偏振。因此，通过适当利用偏振片或者偏振分光器，可以生成对应于输入视频数据的黑暗区域和明亮区域。已经按照类似于DMD的方式利用液晶板形成了彩色图像。
诸如投影系统的照明光学器件等的光学系统的性能可以表征为多个参数，其中一个是聚光率。可以利用下面的公式来计算聚光率εε＝A*Ω≌π*A*sin2θ＝π*A*NA2其中Ω是发射或接收的立体角(单位球面度)；A是接收器或者发射器的面积，θ是发射角或接收角，NA是数值孔径。
如果光学系统的某个元件的聚光率小于上游光学元件的聚光率，则这种失配会导致光损失，这将降低该光学系统的效率。因此，光学系统的性能通常受到具有最小聚光率的元件的限制。通常用于减小光学系统中聚光率降低的技术包括提高该系统的效能(lm/w)、减小光源尺寸、减小光束立体角，以及避免引入额外的孔径光阑。
用于照明系统中的传统光学器件包括各种构造，但是其离轴性能仅仅在很窄的特定范围内才能令人满意。此外，传统照明系统中的光学器件已经表现出不足的集光特性。具体地说，如果光源输出的大部分以远离光轴的角度发出(对于大多数LED是这种情况)，则传统照明系统不能捕捉到这种光的绝大部分。此外，尽管一些传统反射准直器具有可接受的集光特性，例如椭圆和抛物面反射器，但是这些反射器通常具有旋转对称偏离的特点。这种偏离通常会导致合成图像的舍入(rounding)，以及光源上的点与目标平面上的点之间缺乏整体对应性，从而造成失序和聚光率的降低。这些缺陷以及其它缺陷促使光学元件和系统的设计复杂化，这包括例如利用复杂的非球面表面以及大量元件的复杂组合。

发明内容
本发明涉及一种光源组件，该光源组件包括具有发光表面的发射器和在发光表面上方安装在所述发射器上的角锥体集光器。所述角锥体集光器的近端面对所述发光表面，而所述角锥体集光器的远端背离所述发光表面。在本发明的适当示例性实施例中，所述角锥体集光器的近端与所述发光表面接触。所述角锥体集光器的近端的尺寸和形状可以与所述发光表面的尺寸和形状近似相同。例如，所述近端和远端都可以具有基本上为方形的形状，或者所述近端可以具有基本上为方形的形状，而所述远端具有基本上为矩形的形状。在一些示例性实施例中，所述角锥体集光器的近端围绕所述发光表面安装。而且，在一些实施例中，所述角锥体集光器的远端具有基本上为枕形的构造。
根据本发明，所述角锥体集光器可以构造为收集所述发射器所发射的光的至少约70％。根据本发明的一些示例性实施例形成的角锥体集光器的近端与远端之间的距离通常是集光器的远端的最长对角线长度的大约3至5倍。在一些示例性实施例中，角锥体集光器具有从远端到近端渐缩大约2至6度的侧面。在其它一些示例性实施例中，角锥体集光器具有从远端到近端渐缩不超过约10度的侧面。
根据本发明构成的示例性光源组件可以还包括设置在所述角锥体集光器的远端附近的矩形直管部分。如果同时包括直管部分和圆顶部分，则所述直管部分就可以设置在所述圆顶部分与所述角锥体集光器之间。可选的是，所述角锥体集光器包括基本上为盘形的凸缘，所述凸缘设置在所述圆顶部分与所述角锥体集光器之间。
本发明还涉及一种照明系统，所述照明系统包括两个或多个光源组件、照明目标和设置在所述至少一个光源组件与所述照明目标之间的光学元件系统。每个光源组件包括具有发光表面的发射器和在发光表面上方安装在所述发射器上的角锥体集光器。所述角锥体集光器的近端面对所述发光表面，而所述角锥体集光器的远端背离所述发光表面。所述光源组件可以以阵列形式设置在非径向对称孔内。如果照明目标是成像器件，所述成像器件设置为以一定角度被照明并且具有可以围绕枢轴线旋转的多个反射镜，则所述非径向对称孔就具有长尺寸和短尺寸，并且定向为所述长尺寸与所述成像器件的反射镜的枢轴线对准。可选的是，光源组件和光学元件系统可以构造为形成多个基本上瞄准照明目标的通道。在这种示例性照明系统中，光源组件可以设置为与球面相切并且沿着球面。
根据本发明的一些示例性实施例，每个角锥体集光器的近端和远端都可以具有基本上为方形的形状，或者每个角锥体集光器的近端可以具有基本上为方形的形状，而每个角锥体集光器的远端具有基本上为矩形的形状。光学元件系统可以构造为将每个角锥体集光器的远端成像在照明目标上。在这种示例性实施例中，可以基本上叠置发光表面的图像，以便形成照明区域(illumination patch)，所述照明区域可以基本上填充或者过度填充照明目标。可选择的是，可以密集布置发光表面的图像或者使其重叠以便形成这种照明区域。角锥体集光器的至少一个远端的形状可以基本上匹配照明目标的形状。例如，照明目标可以基本上为方形或者基本上为矩形。
根据以下的详细说明以及附图，本领域技术人员将很容易明白本发明照明系统的这些及其它方面。


因此，以下将参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本发明所属领域的普通技术人员更容易理解如何制造和使用本发明，在附图中图1是根据本发明示例性实施例构成的照明系统的示意性横截面图；图2A是根据本发明示例性实施例构成的光源组件的示意性侧视图；图2B是图2A所示示例性光源组件的示意性前视图；图2C是图2A和图2B所示示例性光源组件的示意性顶视图；图3A是根据本发明另一个示例性实施例构成的光源组件的示意性侧视图；图3B是图3A所示示例性光源组件的示意性前视图；图3C是图3A和图3B所示示例性光源组件的示意性顶视图；图4描绘光线轨迹，其示意性显示在与参考图3A至图3C所示和所述的示例性光源组件相似的光源组件中的光收集；图5是测试构造的示意图，该测试构造用于确定射出根据本发明示例性实施例构成的光源组件的照明形状；图6显示当使用图5所示系统进行测试时，参考图3A至图3C所示和所述的光源组件的输出辐照度；图7是根据本发明另一个示例性实施例构成的光源组件的示意图，显示枕形构造；图8描绘光线轨迹，其示意性显示在与参考图3A至图3C和图7所示和所述的示例性光源组件相似的光源组件中的光收集；图9显示当使用图5所示系统进行测试时，参考图3A至图3C和图7所示和所述的光源组件的输出辐照度；图10A是根据本发明另一个实施例构成的光源组件的示意性侧视图；图10B是图10A所示示例性光源组件的示意性前视图；图10C是图10A和图10B所示示例性光源组件的示意性顶视图；图11描绘测试构造和光线轨迹，其示意性显示在与参考图10A至图10C所示和所述的光源组件相似的光源组件中的光收集；图12显示当使用图11所示系统进行测试时，参考图10A至图10C所示和所述的光源组件的输出辐照度；图13是根据本发明示例性实施例构成的光源组件组的示例性构造的示意图，显示将光源组件组定位为基本上接近非径向对称孔；以及图14是根据本发明另一个示例性实施例构成的照明系统的示意性横截面图。
具体实施例方式
现在参照附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1示意性显示本发明的照明系统的示例性实施例，该实施例可以用于投影用途。图1所示照明系统10包括由光源组件72、72’、72”表示的光源组件组12，以及光学元件系统15。一个或多个光源组件可以包括LED光源。本领域普通技术人员可以理解，随着具有更高效率和输出的LED的发展和完善，这些LED将可以有利地用于本发明的示例性实施例中，这是因为具有高的最大输出的LED通常是优选的。可选择的是，可以使用有机发光二极管(OLED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或者其它适当的发光器件。
光源组件组12可以以诸如线性阵列、笛卡尔阵列或六边形阵列等阵列形式构造。并且可以将光源组件(例如72、72’、72”)共同地或单独地安装在一个或多个基片上，使得光源组件产生的热量可以容易地通过(多个)基片的材料或者通过其它手段消散。适用于安装光源组件的基片的实例包括印刷电路板(诸如金属芯印刷电路板等)、柔性电路(诸如具有铜迹线的聚酰亚胺膜等)、陶瓷基片等。本领域普通技术人员可以理解，光源组件组12和单独的光源组件(例如72、72’、72”)的很多构造都在本发明的范围之内。此外，光源组件的数量和类型可以根据用途、希望的系统构造、系统尺寸以及系统的输出亮度而改变。
在图1所示的示例性实施例中，光学元件系统15包括透镜组14(例如，小透镜74、74’、74”)、聚光器18、场镜16和其它光学元件19，如TIR棱镜。与光源组件的数量相似，透镜组14中小透镜的数量可以根据用途、希望的系统构造和希望的系统尺寸而改变。在本发明的适当实施例中，每个光源组件具有与其相关联的一个或多个光学元件，以便促进光的收集，并且获得希望的成像特性。光源组件和与其关联的光学器件在本文中总称为“通道”。
例如，在图1所示的示例性实施例中，小透镜74与光源组件72相关联，小透镜74’与光源组件72’相关联，小透镜74”与光源组件72”相关联。透镜组14的小透镜优选为平凸透镜，并且凸面可以制成非球面，以便减少像差并且避免产生光损失。然而，本领域普通技术人员可以理解，小透镜的总体形状和尺寸可以根据具体用途、系统构造、系统尺寸和成本考虑而改变。透镜的材料优选为丙烯酸酯树脂，但是也可以使用聚碳酸酯、聚苯乙烯、玻璃或者任何其它适当的材料。一般而言，优选使用折射率较高的材料，但是最终将根据对于具体用途而言重要的因素来进行选择，诸如成本、成型性、折射率与光学胶或环氧树脂等相匹配的容易性等。在本发明的适当实施例中，可以从光学元件系统15中完全去除透镜组14，使得光源组件将共用相同的光学器件。
在一些示例性实施例中，光学元件系统可以包括聚光器18，该聚光器可以是或者可以包括平凸透镜。可选择的是，根据希望的输出光特性，该聚光器可以是或者可以包括弯月透镜以便减少像差，或者其可以是或可以包括任何其它类型的一个或多个透镜。除聚光器18之外或者取代该聚光器18，光学元件系统15可以包括对于具体用途可用的其它部件，例如可以包括用于分离或者组合不同颜色光束的分色镜或者其它分离器或组合器。
进一步参照图1，照明目标17的本质将根据具体用途而改变。例如，照明目标17可以为光隧道的入口。例如，在美国专利No.5625738和No.6332688中描述了适用于本发明的适当示例实施例中的光隧道，所述专利的内容以引用的方式并入本文。光隧道用于使发光组件(例如72、72’、72”)的输出均匀，并且可以是，例如实心或者中空的基本上为矩形的反射镜通道，或者由实心玻璃棒构成的细长通道，该细长通道依赖全内反射来使光传播通过。本领域普通技术人员将会理解，光隧道输入端和输出端的大量形状组合都是可能的。在其它示例性实施例中，照明目标17可以为成像器件，例如DMD或LCOS。
图2A至图2C示意性显示适合用于本发明的适当实施例中的光源组件的示例性构造。具体地说，图2A至图2C显示光源组件172，其中图2A是侧视图，图2B是前视图，图2C是顶视图。光源组件172包括具有发光表面724的发射器722和在发光表面724上方安装在发射器上的短角锥体集光器727。短角锥体集光器727优选是基本上光学透明的物体，例如由丙烯酸酯树脂、聚碳酸酯或者其它适当的材料制成，该集光器的侧面起到简单反射器的作用，用于反射以较大的角度从一个或多个发光表面发出的光，以便引起光在该角锥体集光器内进行全内反射。本领域普通技术人员将会理解，对于由具有更高折射率的材料构成的角锥体集光器，可以提高集光效率。
发光表面724可以是或可以包括LED的一个或多个发光表面、荧光体层，或者任意其它的发光材料。本领域普通技术人员可以理解，术语“发光表面”可以用于表示光源组件的任意发光表面，诸如封装到基本上光学透明的材料中的发光半导体层或芯片的任意表面部分等。如果发光表面724是LED的发光表面(其可以包括几个发光条)，则优选将该角锥体集光器727放置在所述一个或多个发光表面上方，并且利用基本上光学透明的适当粘合材料将其附着到LED上，或者直接模制到LED上，使得该集光器接触并且覆盖LED的整个发光表面或者多个发光表面。使LED的发光表面与角锥体集光器之间的空气间隙最小或者去除该空气间隙通常会提高集光效率。应当根据角锥体集光器的材料的折射率来选择粘合材料的折射率。如果粘合材料的折射率大于角锥体集光器材料的折射率，则由于在它们界面处的反射会损失很大一部分发射光。因此，优选的是，使该粘合材料的折射率基本上匹配或者略微小于该角锥体集光器的折射率，以便促进更有效的光收集。
如图2A至图2C所示，该示例性实施例的角锥体集光器727具有面对发光表面724的基本上为方形的近端725，和背离发光表面724的基本上为矩形的远端729。对于具有边长约为1mm的基本上为方形外形的发光表面(如InGaN LED的有效表面)的发射器，角锥体集光器727的适当尺寸的一个实例包括边长约为1mm的基本上为方形的近端725、约为4.3mm×2.4mm的基本上为矩形的远端729，以及约为5至15mm的角锥体集光器高度(近端和远端之间的距离)。远端的形状(包括高宽比)优选匹配图1所示照明目标17的形状。
至少一部分入射在角锥体集光器727侧面上的光可以被全内反射，或者可以被设置在角锥体集光器727侧面上的反射器723内反射。优选的是，反射器723包围角锥体集光器727的至少一部分。反射器723可以延伸到或者不延伸到角锥体集光器727的整个长度。例如，反射器723可以设置在发光表面724附近的侧面上，如图2A至图2C所示，其中光以大于元件制造材料的临界角的角度入射的可能性更大。在该示例性实施例中，在更接近角锥体集光器727的远端729处，角锥体集光器727的侧面可以依赖全内反射，这是因为光以大于临界角的角度入射的可能性降低的缘故。反射器723可以利用反射涂层，或者可以安装在发射器722的适当部件上。在一些示例性实施例中，反射器723可以为镀银镜或镀铝镜。反射器723可以由成型件形成，或者可以制成为形成期望形状的薄金属表面。
可选的是，光源组件172可以包括附加在角锥体集光器727上的矩形直管部分730。管部分730可以由丙烯酸酯树脂、聚碳酸酯或者其它适当的塑性材料模制。管部分730的横截面尺寸优选基本上匹配角锥体集光器727的远端729的尺寸，而管部分730的适当长度约为1至2mm，或者在一些示例性实施例中甚至达到光源组件172的全长的大约一半。一般来说，根据输出照明的期望均匀度、角锥体集光器的尺寸和其它因素(如光源组件的期望全长)来选择管部分的长度。例如，在一个包括管部分730的示例性实施例中，角锥体集光器727的基本上为方形的近端725尺寸约为1.0mm×1.0mm，以便匹配具有相似尺寸的发光表面，远端729为基本上具有约4.3mm×2.5mm尺寸的矩形，角锥体集光器727的近端和远端之间的距离约为5mm，矩形管部分730的长度约为2mm。
图3A至图3C示意性显示适合用于本发明的适当实施例中的另一种示例性的光源组件构造。光源组件272包括具有发光表面724的发射器722和在发光表面724上方安装在发射器722上的角锥体集光器727。如果发光表面724是LED(可以包括几个发光条)的发光表面，则优选将该角锥体集光器727放置在所述一个或多个发光表面上方，并且利用基本上光学透明的适当粘合材料将其附着到发射器722上，或者直接模制到发射器722上，使得该集光器覆盖发射器722的整个发光表面724或者多个发光表面。
与图2A至图2C所示光源组件172类似，该示例性光源组件的角锥体集光器727具有面对发光表面724的基本上为方形的近端725，和背离发光表面724的基本上为矩形的远端729。可选的是，光源组件272也可以包括附加在角锥体集光器727上的矩形直管部分730。光源组件272的尺寸通常与参考图2A至图2C所述光源组件的示例性尺寸大致相同。在一些示例性实施例中，角锥体集光器727可以包括诸如参考图2A至图2C所述的反射器723。
另外，图3A至图3C所示的示例性光源组件包括圆顶部分750，例如，该圆顶部分的凸面是曲率半径约为4至5mm的基本上为球面的表面。圆顶部分750有助于将前面结构的输出压缩到更小的角度范围内。取决于光源组件在角锥体集光器727之后是否包括矩形管部分730，圆顶部分750可以安装在角锥体集光器727的远端729上或者安装在矩形管部分730上。该圆顶部分可以被截为基本上接近其所安装的元件的尺寸，或者可以保留超出聚光路线的过量材料以形成安装边缘752。可以将光源组件的无源元件诸如具有圆顶的角锥体集光器、具有直管和圆顶的角锥体集光器、或者具有直管的角锥体集光器等模制成一个单元，或者可以将上述元件单独制造并且随后组装在一起。
图4描绘光线轨迹，其示意性显示在与参考图3A至图3C所示和所述相似的光源组件中的光收集。这里，从具有基本上为方形的发光表面的InGaN LED收集光。通常，在本发明的适当实施例中，从LED的近似朗伯发光表面集光的集光效率将相对较高，这是因为很大一部分光通过全内反射进行反射并且保持在角锥体集光器内。然而，少部分光将逃脱收集，其中包括几乎与光轴垂直的光线和朝向发射器反射回去的一些光线。结果，发射器输出的高达约70％，在一些实施例中约82％或者更多光被收集在角锥体集光器727以及诸如管部分730和圆顶部分750等的相关元件中，其结果是具有基本上均匀的近似矩形的横截面的照明，同时具有相对较窄的角度范围和相对较高的集光效率。
图5显示用于确定射出光源组件72的照明形状的计算机模拟测试构造。该测试构造包括成像光学器件16，该成像光学器件用于将射出光源组件72的照明聚焦在设置于照明目标平面处的阵列探测器84上。图6显示由探测器84产生的模拟输出图像，其显示当使用图5所示系统进行测试时光源组件272的输出辐照度。可以组合光源组件并且叠加其输出以便增大输出照度，同时等量地增大角度范围。
尽管参考图2A至图2C和图3A至图3C所述的示例性构造对于大多数应用表现良好，并且出于各种考虑(如一些示例性实施例成本较低)可能为优选，但是，从图6中可以看出，尽管光源组件272的模拟输出图像看起来基本上为矩形，但是成像光学器件16以一定的桶形畸变传递图像。这种畸变可以导致照明区域不能充满矩形照明目标的角落。
为了解决桶形畸变，可以将具有基本上平坦的壁的角锥体集光器，如角锥体集光器172或272(参见图2A至图3C)，改变形状以变成如图7中所示形状的枕形。图7示意性显示具有基本上为方形的近端735和枕形远端739的角锥体集光器737。角锥体集光器737的侧面737a、737b、737c和737d形成为柱形、椭圆形或基本上为锥形的表面。角锥体集光器737可以由丙烯酸酯树脂、聚碳酸酯或者其它适当的材料模制成图7所示的形状。可选择的是，可以在初始形成有直壁的角锥体集光器中制作适当形状的切除部分。
例如，角锥体集光器737的远端739具有约为16∶9的高宽比。角锥体集光器的其它示例性尺寸包括方形近端为约1.0mm×1.0mm、远端为约4.3mm×2.4mm并且近端与远端之间的距离约为4mm。基本上为柱形的表面的示例性参数包括约为3mm的长边半径以及约为1.1mm的短边半径。也可以使用半径大致相同的基本上为锥形的表面。角锥体集光器737在发射器的(多个)发光表面上方安装在发射器上。例如，角锥体集光器可以模制在LED的发光表面上，或者通过基本上光学透明的胶、环氧树脂或具有适当选择的折射率的其它适当材料粘合在LED的发光表面上。
如图8示意性显示，示例性的光源组件372(包括用于收集来自发射器722的光的枕形角锥体集光器737)还包括圆顶部分760，例如，该圆顶部分的凸面为半径约为5mm的基本上为球面的表面。圆顶部分有助于将前面结构的输出压缩到更小的角度范围内。圆顶部分760可以安装在角锥体集光器737的远端739上，或者与其一体成型，并且该圆顶部分可以被截为基本上接近其所安装的元件的尺寸。可选择的是，可以保留超出聚光路线的过量材料以形成安装边缘762。优选的是，将光源组件的无源元件诸如具有圆顶的角锥体集光器等模制成一个单元，从而不需要光学耦合。
图8还描绘光线轨迹，其示意性显示在与参考图3A至图3C和图7所示和所述相似的光源组件中的光收集。这里，从具有基本上为方形的发光表面的InGaN LED收集光。如上所述，在本发明的适当实施例中，从LED的近似朗伯发光表面集光的集光效率将相对较高，这是因为由发射器发射的光很大一部分通过全内反射进行反射并且保持在角锥体集光器内。然而，少部分光将逃脱收集，其中包括几乎与光轴垂直的光线和朝向发射器反射回去的一些光线。结果，发射器输出的高达约78％被收集在角锥体集光器737以及圆顶760中，并且被传递到规定区域。
所产生的照明是基本上均匀的近似矩形的横截面，同时具有相对较窄的角度范围和相对较高的集光效率。图9显示当使用图5所示模拟测试构造测试光源组件372时，由探测器84产生的模拟输出图像。可以组合光源组件并且叠加其输出以便增大输出照度，同时等量地增大角度范围。例如，可以组合五至十个光源组件，如光源组件737，以便过度填充典型的微显示器投影系统的允许展度。
图10A至图10C示意性显示适合用于本发明的适当实施例中的光源组件的另一种示例性构造。具体地说，图10A至图10C显示光源组件182，其中图10A是侧视图，图10B是前视图，图10C是顶视图。光源组件182包括具有发光表面824的发射器822和在发光表面824上方安装在发射器822上的角锥体集光器827。角锥体集光器827优选是基本上光学透明的物体，例如由丙烯酸酯树脂、聚碳酸酯、玻璃或者其它适当的材料制成，该集光器的侧面起到简单反射器的作用，用于反射以较大的角度从一个或多个发光表面发出的光，以便引起光在该角锥体集光器内进行全内反射。
与本发明的其它示例性实施例一样，发光表面824可以是或可以包括LED的一个或多个发光表面、荧光体层，或者任意其它的发光材料。如果发光表面824是LED(其可以包括几个发光条)的发光表面，则优选将该角锥体集光器827放置在所述一个或多个发光表面上方，并且利用适当的粘合材料将其附着到发射器822上，或者直接模制到发射器822上，使得该集光器覆盖发射器822的整个发光表面824或者多个发光表面。如上所述，应当根据角锥体集光器的材料的折射率来选择粘合材料的折射率。
如10A至图10C所示，该示例性实施例的角锥体集光器827具有面对发光表面824的基本上为方形的近端825，和背离发光表面824的基本上为矩形的远端829。对于具有边长约为1mm的基本上为方形外形的发光表面(如InGaN LED的有效表面)的发射器，角锥体集光器827的优选尺寸包括边长约为1mm的基本上为方形的近端825、约为3.4mm×2mm的基本上为矩形的远端829，以及约为12mm的角锥体集光器高度(近端和远端之间的距离)。远端的形状(包括高宽比)优选匹配图1所示照明目标17的形状或高宽比。
可选的是，光源组件182可以包括附加在角锥体集光器827上的盘形凸缘830。凸缘830可以由丙烯酸酯树脂、聚碳酸酯或者其它光学塑性材料模制而成。在包括凸缘830的一些示例性实施例中，凸缘的外径约为12mm并且其厚度约为1.5mm。另外，示例性的光源组件182包括圆顶部分850，例如，该圆顶部分的凸面是半径约为5mm并且外径约为10mm的球面。取决于光源组件是否包括凸缘830，圆顶部分850可以安装在角锥体集光器827的远端829上或者安装在凸缘830上。该圆顶部分可以被截为基本上接近其所安装的元件的尺寸，或者可以保留超出聚光路线的过量材料以形成安装边缘852。优选的是，将光源组件的无源元件诸如具有圆顶的角锥体集光器或具有凸缘和圆顶的角锥体集光器等模制成一个单元，以便不需要光学耦合。
图11描绘光线轨迹，其示意性显示在与参考图10A至图10C所示和所述相似的光源组件中的光收集。这里，从具有基本上为方形的发光表面的InGaN LED收集光。如上所述，在本发明的适当实施例中，从LED的近似朗伯发光表面集光的集光效率将相对较高，这是因为很大一部分光通过全内反射进行反射并且保持在角锥体集光器内。然而，少部分光将逃脱收集，其中包括几乎与光轴垂直的光线和朝向发射器反射回去的一些光线。结果，发射器输出的高达约80％被收集在角锥体集光器827中。
所产生的照明具有基本上均匀的近似矩形的横截面，同时具有相对较窄的角度范围和相对较高的集光效率。图12显示当使用图11所示模拟测试构造、使用聚焦透镜26测试光源组件182时，由探测器94(参见图11)产生的模拟输出图像。聚焦透镜26将从光源组件182发出的光传递到设置在照明目标平面处的探测器94上。
在本发明的一些示例性实施例中，近端(例如725、735或825)的外部尺寸和形状优选基本上匹配发射器的尺寸和形状，并且基本上围绕发射器的一个或多个发光表面安装。然而，在一些实施例中，根据本发明的角锥体集光器的近端的尺寸可以大于发光表面并且具有不同于发光表面的形状。例如，近端可以具有基本上为圆形的形状，其基本上围绕基本上为矩形的发光表面安装。远端(例如，729、739或829)优选为更大的矩形，例如高宽比约为16∶9(特别适用于HDTV用途)、4∶3或其它高宽比值。可选择的是，远端可以具有基本上为方形的形状。在其它示例性实施例中，远端可以具有基本上为椭圆的形状。
对于本发明涉及的大部分应用场合，根据本发明构成的角锥体集光器的近端与远端之间的距离将是远端的长对角线长度的约3至5倍，角锥体集光器的侧面从远端到近端渐缩不超过约10度，最通常的情况下约为2至6度。更大的角度也位于本发明的范围内，但是这种更大的角度通常将需要更小心地实现角锥体集光器内期望的光混合程度与集光器全长之间的平衡。本领域普通技术人员将容易理解，取决于发光表面的尺寸、形状和均匀性，集光光学器件的尺寸和形状以及其它相关系统参数，角锥体集光器的多种其它合适的尺寸和构造都位于本发明的范围内。例如，在一些实施例中，可以根据期望的集光器全长、集光器内的光混合程度、集光效率以及其它相关因素选择锥角。
如果发光表面为看上去不够均匀的LED发光表面，和/或如果需要改变方形发光表面的形状例如以匹配矩形照明目标，那么使用诸如角锥体集光器727、737或827等的角锥体集光器将特别有利。另外，本发明的角锥体集光器可以收集发射器输出的相对较大部分并且使其改变方向，从而使其相对于光轴以更小的角度范围射出角锥体集光器，并因此更易于由下游光学元件进行收集。此外，包括角锥体集光器的示例性光源组件的远场输出可以形成图案，该图案可以相互密集布置(如果希望，具有一定的重叠)以形成组合照明区域，该组合照明区域尤其适用于投影和背光照明用途。因此，使用本发明示例性实施例的优点包括在减小输出角度范围，不降低聚光率，并且保持相对较高的集光效率的同时，改进输出照明的均匀性并且能够将发光表面从任何形状或者形状组合改变为期望的形状。
根据本发明的另一个方面，图13中显示光源组件组的示例性构造，其显示照明系统的理论圆形入瞳2和非径向对称孔4，表示通过适当定位光源组件组12’而形成入瞳。在利用以一定角度照明的一个或多个DMD并且在光源与成像器件之间未插入光隧道(以下描述)的投影系统中，这种构造及类似构造是特别有利的。一般而言，在这些系统中，在照明角度与通过反射从反射镜框、从处于OFF状态的DMD反射镜下面以及从处于平面或转变状态的反射镜散射到投影光瞳中的光量之间存在很大的相关性。增大照明角度会增大对比度，但是如果没有相应增大投影光学器件的数值孔径，也会造成照明光瞳相对于投影光瞳的偏离，从而引起渐晕。然而，如果增大投影光学器件的孔径来避免渐晕，则能够收集来自DMD周围的更多平面状态或者转变状态(既不是0N也不是OFF)的反射和杂散光，并且将其传递到屏幕上，从而潜在地破坏增大对比度的初始目的。
在利用弧光灯的传统照明系统中，通过在照明光瞳中放置截顶孔径光阑，以遮挡与0N状态反射重叠的至少一部分平面状态反射，来解决这个问题。然而，最近已经披露了可以利用非对称孔径光阑提高DMD投影系统的对比度。美国专利No.5442414描述了提高对比度的非对称孔，其具有长尺寸和短尺寸，其中长尺寸与反射镜的枢轴线对准，该专利的内容以引用的方式并入本文。
因此，在本发明的适当的示例性实施例中，可以选择光源组件组12’的构造，使得各个光源组件基本上设置在具有最高对比度的光瞳区域之内，该光瞳区域显示为非径向对称孔4，从而保存照明能量并且减少所使用的光源组件数量。可以相应选择与光源组件相关联的光学元件组13的构造，并且优选的是该构造将跟随光源组件组12’的构造，使得光学元件组13也具有基本上接近非径向对称孔的一般形状，如图13所示。光源组件组和光学元件组(例如图1所示的透镜组14)的其它构造也在本发明的范围之内，诸如基本上为矩形或方形的阵列等，这取决于具体的用途和其它考虑，诸如系统的形状和尺寸以及成本等。
进一步参照图1、图2A至图2C、图3A至图3C和图10A至图10C，在本发明的一些示例性实施例中，光学元件系统15将角锥体集光器的一个或多个远端(例如远端729、739或829)成像到照明目标17上。这种成像方法改进了从光源组件到照明目标的能量传递。使角锥体集光器的远端成像允许发光表面保持其初始形状，如典型的市场上可以买到的LED的方形或者条形集合。角锥体集光器会有效地产生矩形光图案，该图案继而可以成像到矩形照明目标上，而无需利用附加光学器件进行均匀化和改形。此外，这种构造有助于保存聚光率，这是因为与从该角锥体集光器的近端到远端的面积增加成比例地减小了照明角度。
如果将发光表面成像到光隧道的入口，将不需要精确成像。另一方面，在不使用光隧道的实施例中，可能期望更精确的成像。另外，如果用于使用例如一个或多个DMD的投影系统中，则这些实施例将获益于将光源组件布置为基本上近似图13中所示对比度增强非对称孔的形状。
进一步参照图1，光学元件系统15可以设计并构造为适当地放大角锥体集光器的远端的图像。典型的投影显示器的性能通常获益于或者在一些情况下甚至需要照明区域一定量地过度填充照明目标，在这些示例性实施例中，该照明区域是由角锥体集光器的一个或多个远端的叠加图像形成的。例如，对于大约20.0mm×12.0mm的成像器件而言，该照明区域在每条轴线上可以大出约10％，或者约为22.0mm×13.4mm。在一些示例性实施例中，例如希望使过度填充的量在所有边上基本上相同，从而适应机械偏差。在这些情况下，可以使角锥体集光器的一个或多个远端的高宽比与照明目标的高宽比略微不同，以便产生具有希望的形状的图像。而且，如果希望，可以将具有不同颜色诸如红色、绿色和蓝色或其它原色等的发射器的照明与本领域普通技术人员所公知的二向色组合器组合或者叠置。
图14中显示本发明的照明系统的另一组示例性实施例。在该示例性实施例中，光学元件系统的构造使得可以不使用图1所示实施例中使用的聚光器18。实际上，图14所示实施例使用一个或多个单独聚焦并且瞄准的通道，所述通道包括一个或多个与每个光源组件关联的光学元件，诸如一个或多个透镜等，光学元件将一个或多个光源组件的至少一部分发射引导并聚焦在照明目标上，优选的是，使得在照明目标上进行叠加以便形成照明区域。例如，图14是照明系统20的示意图，照明系统20包括光源组件组22诸如光源组件72、72’、72”等，以及光学元件系统25。光源组件组22构造为每个光源组件的至少一部分发射基本上朝向照明目标27。例如，这可以通过与位于照明目标中心处的球面相切并且沿着该球面布置光源组件组22诸如光源组件72、72’、72”等来实现。
进一步参考图14，在本发明的一些示例性实施例中，光学元件系统25(例如，小透镜75、75’、75”等)可以构造为将角锥体集光器的一个或多个远端成像到照明目标27上。如上所述，照明目标27的本质根据具体用途而改变。本领域的普通技术人员容易理解，光源组件的数量和类型以及与每个光源组件关联并因此形成各个瞄准通道的光学元件的数量和类型可以根据用途、期望的系统构造以及系统尺寸而改变。
如果本发明的示例性实施例通过将各个通道瞄准目标而将来自一个或多个光源组件的光聚焦在相同照明目标上，那么就可以使用更少的部件、具有更低的成本、更有效，并且在一些实施例中可以产生比使用共用聚光器的典型实施例更亮的输出。然而，使用聚光器的示例性实施例允许具有更大的灵活性，这是因为聚光器可以用于调节输出光束的角度、后焦距和放大率。此外，在图14所示的示例性实施例中，光源组件不共面，对于印刷电路板安装来说这是一个缺点。另一方面，如果将光源组件安装在同一基片上，诸如同一印刷电路板等上，就可以将围绕系统外围设置的相关光学元件进行瞄准或倾斜，例如如同时提交的名称为“照明系统(Illumination System)”、代理人卷号No.59373US002的美国申请中所述，上述申请的内容以引用的方式并入本文。与例如其中光源组件指向球心并且与球相切安装的系统相比，倾斜光学元件会导致亮度降低。
本文所述的每个示例性实施例对于具体用途可能特别有利。可以根据光学性能(如亮度)、制造容易性和低成本(成型塑性部件)、现有和期望的发光表面均匀度、输出角度的减小量以及组件叠置的可操作性等，针对具体用途选择具体实施例。与使用共用聚光器的示例性实施例相比，通常还可以通过增加光源组件的数量以及通过使用“瞄准”构造略微提高照明系统性能。
本发明的方法简化了用于各种具体用途的照明系统的设计，并且允许光源组件、成像器件和照明目标的许多种不同构造。本发明的示例性实施例能够在保持聚光率的同时比传统系统更有效地收集来自朗伯(lambertian)型发射器诸如LED等的光。因此，更多的光可以传播到照明目标，从而产生更高的整体效率。此外，本发明允许制造使用更少部件、紧凑、通用并且制造更容易、成本更低的照明系统。
尽管已经参照具体的示例性实施例描述了本发明的照明系统，但是本领域普通技术人员容易理解，在不背离本发明精神和范围的情况下可以对其进行改变和修改。例如，光源组件的形状和尺寸可以改变。具体地说，根据具体用途或者安装方便的需要，示例性的光源组件可以具有本文中所包括的附加部分。
另一方面，用于本发明各个实施例中的光学元件系统的尺寸和构造能够根据具体用途以及照明目标的本质和尺寸而改变。此外，本发明的示例性实施例可以结合同时提交的名称为“照明系统(Illumination System)”、代理人卷号No.59373US002的美国申请以及名称为“集光照明系统(“Light-Collecing Illuminationsystem)”、代理人卷号No.59516US002的美国申请中所述的光学元件、部件和系统，上述申请的内容以引用的方式并入本文。此外，如本领域普通技术人员所知，本发明还在根据本发明构成的照明系统的示例性实施例中包含其它光学元件。
此外，本领域普通技术人员容易理解，本发明的实施例可以与多种光源，包括白色LED和彩色LED(例如，红色、蓝色、绿色或者其它颜色)一起使用。RGB LED通常允许实现最佳的彩色性能，但是白色LED对于许多用途而言都是可以接受的。
权利要求
1.一种光源组件，包括具有发光表面的发射器和在发光表面上方安装在所述发射器上的角锥体集光器，所述角锥体集光器具有面对所述发光表面的近端和背离所述发光表面的远端。
2.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述角锥体集光器的近端与所述发光表面接触。
3.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述角锥体集光器的近端具有与所述发光表面的尺寸和形状近似相同的尺寸和形状。
4.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述近端具有基本上为方形的形状，所述远端具有基本上为方形的形状。
5.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述近端具有基本上为方形的形状，所述远端具有基本上为矩形的形状。
6.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述角锥体集光器的近端围绕所述发光表面安装。
7.根据权利要求1所述的光源组件，还包括设置在所述角锥体集光器的远端附近的矩形直管部分。
8.根据权利要求1所述的光源组件，还包括圆顶部分。
9.根据权利要求8所述的光源组件，还包括设置在所述圆顶部分与所述角锥体集光器之间的直管部分。
10.根据权利要求8所述的光源组件，还包括基本上为盘形的凸缘，所述凸缘设置在所述圆顶部分与所述角锥体集光器之间。
11.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述角锥体集光器的远端具有基本上为枕形的构造。
12.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述角锥体集光器收集所述发射器所发射的光的至少约70％。
13.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述角锥体集光器的近端与远端之间的距离是所述角锥体集光器的远端的最长对角线长度的大约3至5倍。
14.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述角锥体集光器具有从所述远端到所述近端渐缩大约2至6度的侧面。
15.根据权利要求1所述的光源组件，其中，所述角锥体集光器具有从所述远端到所述近端渐缩不超过约10度的侧面。
16.一种照明系统，包括多个光源组件，每个光源组件包括具有发光表面的发射器和在发光表面上方安装在所述发射器上的角锥体集光器，每个角锥体集光器具有面对所述发光表面的近端和背离所述发光表面的远端；照明目标；以及光学元件系统，其设置在所述至少一个光源组件与所述照明目标之间。
17.根据权利要求16所述的照明系统，其中，所述多个光源组件以阵列形式设置在非径向对称孔内。
18.根据权利要求17所述的照明系统，其中，所述照明目标是成像器件，所述成像器件设置为以一定角度被照明并且具有多个可以围绕枢轴线旋转的反射镜，所述非径向对称孔具有长尺寸和短尺寸，并且定向为所述长尺寸与所述成像器件的反射镜的枢轴线对准。
19.根据权利要求16所述的照明系统，其中，所述光源组件和所述光学元件系统构造为形成基本上瞄准所述照明目标的多个通道。
20.根据权利要求19所述的照明系统，其中，所述光源组件设置为与球面相切并且沿着所述球面。
21.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的近端与安装所述角锥体集光器的发射器的发光表面接触。
22.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的近端具有与安装所述角锥体集光器的发射器的发光表面的尺寸和形状近似相同的尺寸和形状。
23.根据权利要求21所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的近端具有基本上为方形的形状并且远端具有基本上为方形的形状。
24.根据权利要求21所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的近端具有基本上为方形的形状并且远端具有基本上为矩形的形状。
25.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的近端围绕安装所述角锥体集光器的光源组件的发光表面安装。
26.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个光源组件还包括设置在每个角锥体集光器的远端附近的矩形直管部分。
27.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个光源组件还包括圆顶部分。
28.根据权利要求27所述的照明系统，其中，每个光源组件还包括设置在所述圆顶部分与所述角锥体集光器之间的直管部分。
29.根据权利要求27所述的照明系统，其中，每个光源组件还包括基本上为盘形的凸缘，所述凸缘设置在所述圆顶部分与所述角锥体集光器之间。
30.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的远端具有基本上为枕形的构造。
31.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器收集安装所述角锥体集光器的发射器所发射的光的至少约70％。
32.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的近端与远端之间的距离是所述角锥体集光器的远端的最长对角线长度的大约3至5倍。
33.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器具有从所述角锥体集光器的远端到近端渐缩大约2至6度的侧面。
34.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器具有从所述角锥体集光器的远端到近端渐缩不超过约10度的侧面。
35.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的近端具有基本上为方形的形状并且每个角锥体集光器的远端具有基本上为方形的形状。
36.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器的近端具有基本上为方形的形状并且每个角锥体集光器的远端具有基本上为矩形的形状。
37.根据权利要求16所述的照明系统，其中，所述光学元件系统构造为将每个角锥体集光器的远端成像在所述照明目标上。
38.根据权利要求37所述的照明系统，其中，基本上叠置所述发光表面的图像，以便形成照明区域，所述照明区域基本上填充所述照明目标。
39.根据权利要求37所述的照明系统，其中，密集布置所述发光表面的图像，以便形成照明区域，所述照明区域基本上填充所述照明目标。
40.根据权利要求37所述的照明系统，其中，重叠所述发光表面的图像，以便形成照明区域，所述照明区域基本上填充所述照明目标。
41.根据权利要求16所述的照明系统，其中，所述角锥体集光器的至少一个远端的形状基本上匹配所述照明目标的形状。
42.根据权利要求41所述的照明系统，其中，所述照明目标的形状基本上为方形。
43.根据权利要求41所述的照明系统，其中，所述照明目标的形状基本上为矩形。
44.根据权利要求1所述的光源组件，还包括包围所述角锥体集光器的至少一部分的反射器。
45.根据权利要求44所述的光源组件，其中，所述反射器设置在所述发光表面附近。
46.根据权利要求44所述的光源组件，其中，所述反射器包括反射涂层、金属表面或成型件。
47.根据权利要求16所述的照明系统，其中，每个光源组件还包括包围每个角锥体集光器的至少一部分的反射器。
48.根据权利要求47所述的照明系统，其中，每个反射器设置在发光表面附近。
49.根据权利要求47所述的照明系统，其中，每个反射器包括反射涂层、金属表面或成型件。
全文摘要
本发明公开一种光源组件以及使用该光源组件的照明系统。光源组件包括具有发光表面的发射器和在发光表面上方安装在所述发射器上的角锥体集光器。照明系统包括多个光源组件，每个光源组件包括具有发光表面的发射器和在发光表面上方安装在所述发射器上的角锥体集光器。照明系统还包括照明目标以及设置在所述至少一个光源组件与所述照明目标之间的光学元件系统。
文档编号G02B6/42GK1918498SQ200580004719
公开日2007年2月21日 申请日期2005年1月18日 优先权日2004年2月11日
发明者阿利·R·康纳 申请人:3M创新有限公司